化工原理 第四章 热量传递基础

null第四章 热量传递基础 第四章 热量传递基础 4.1 概述 4.2 热传导 4.3 对流传热 4.4 冷凝与沸腾传热 4.5 辐射传热 4.1 概述4.1 概述 4.1.1 基本概念 4.1.2 热量传递的三种基本方式 4.1.1 基本概念 4.1.1 基本概念 在化工生产中传热的应用主要是两个方面： （1）强化传热 为了使物料满足所要求的操作温度进行的加热或冷却，希望热量以所期望的速率进行传递； （2）削弱传热 为了使物料或设备减少热量散失，而对管道或设备进行保温或保冷。 4.1.1 基本概念4.1.1 基本概念1.传热速率与热通量 传热速率Q 是指单位时间内通过传热面的热量，又称热流量，其单位是W。 ——表征了传热过程进行的快慢程度 热通量q 是指单位传热面积上的传热速率，又称热流密度，单位是W/m2。 热通量与传热速率之间的关系为 ：4.1.1 基本概念4.1.1 基本概念2.稳态传热与非稳态传热 热量传 递过程 稳态传热非稳态传热物体的温度分布随时间变化 物体中各点温度不随时间而改变——连续生产过程中的传热 ——间歇操作的换热设备和连续生产设备的启动、停机过程以及变工况过程的热量传递4.1.1 基本概念4.1.1 基本概念3.温度场与温度梯度 物体内各点温度的集合称为温度场 ，一般地，物体内任意点的温度是时间和空间位置的函数，温度场的数学表达式为 ——式中 t为温度；x、y、z为空间坐标；t为时间。 温度场 稳态温度场非稳态温度场物体的温度分布随时间变化 物体中各点温度与时间无关4.1.1 基本概念4.1.1 基本概念等温面： 在某一时刻，温度场中温度相同的点连成的面，等温面不可能相交。 对于二维传热问题，物体中等温面表现为等温线，等温线也不可能相交。 温度随空间位置的变化率以等温面（线）的法线方向上为最大值，在等温面（线）法线方向上的温度变化率称为温度梯度，可表示为 式中D n为法线n方向上的距离；grad（t）表示温度梯度，是矢量，其方向垂直于等温面（线），与等温面（线）的法线方向一致，并以温度增加的方向为正方向。等温线： 4.1.2 热量传递的三种基本方式 4.1.2 热量传递的三种基本方式 1.热传导 物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为热传导，又称导热。 热传导现象可以用傅立叶(Fourier)定律来描述。 2.对流传热 对流仅发生于流体中，它是指由于流体的宏观运动使流体各部分之间发生相对位移而导致的热量传递过程 。4.1.2 热量传递的三种基本方式4.1.2 热量传递的三种基本方式 对流传热通常用牛顿冷却定律来描述，即当主体温度为tf的流体被温度为tw的热壁加热时，单位面积上的加热量可以表示为 ： 当主体温度为tf的流体被温度为tw的冷壁冷却时，有 式中q为对流传热的热通量，W/m2；a为比例系数，称为对流传热系数, W/(m2·℃)。牛顿冷却公式表明，单位面积上的对流传热速率与温差成正比关系。 4.1.2 热量传递的三种基本方式4.1.2 热量传递的三种基本方式3.热辐射 辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。物体因各种原因发出辐射能，其中因热的原因发出辐射能的现象称为热辐射。 与热传导和对流传热不同，辐射传热无须借助中间介质的存在来传递热量，可以在真空中传递。 虽然物体可以热辐射的方式进行热量传递，但一般只在高温或低温下才成为主要传热方式。 4.2 热传导4.2 热传导4.2.1 热传导的基本定律—傅立叶定律 4.2.2 导热系数 4.2.3 热传导微分方程及其定解条件 4.2.4 稳态热传导 4.2.5 非稳态热传导 4.2.6 热传导问题的数值解法 4.2.1 热传导的基本定律—傅立叶定律4.2.1 热传导的基本定律—傅立叶定律大量的实践表明 热量以传导形式传递时，单位时间内通过单位面积所传递的热量与当地温度梯度成正比。对于一维问题，可表示为 ——为x方向上的温度梯度,℃/m或K/m； ——式中l为比例系数，称为导热系数，W/(m·℃) 或W/(m·K)；——q为热通量, W/m2；——负号表示热量传递的方向指向温度降低的方向。4.2.1 热传导的基本定律—傅立叶定律4.2.1 热传导的基本定律—傅立叶定律当物体温度是三维空间坐标的函数时，则热通量矢量表示为 4.2.2 导热系数 4.2.2 导热系数 1.定义式 的物理意义：表示温度梯度为1K/m或1℃/m时，单位时间通过单位面积的热量。即：单位温度梯度下的热通量。 说明： （1）导热系数越大，物体的导热性能越好，即在相同的温度梯度下传热速率越大。 （2） 各类物质导热系数的近似关系：4.2.2 导热系数4.2.2 导热系数2.影响因素 大多数均一的固体，其导热系数在一定温度范围内与温度近似成直线关系，可用下式表示： ——式中l0为固体在0℃时的导热系数，k为温度系数，1/℃, 对大多数金属材料为负值，对大多数非金属固体材料为正值。 有机均相混合液体的导热系数可用下式估算 有机水溶液的导热系数的估算式为 ——式中wi为组分i的质量分数，li为纯组分i的导热系数。 4.2.2 导热系数4.2.2 导热系数气体的导热系数l与粘度m之间有以下简单关系——式中R为通用气体常数，J/(kmol·K)；M为相对分子质量，kg/kmol；cp为定压比热，J/(kg·K)；m的单位为Pa·s。 在相当大的压力范围内，气体的导热系数随压力的变化较小，可以忽略不计。 只有在压力极高（>200MPa）或极低（<2700Pa）的情况下，才须考虑压力的影响，此时气体的导热系数随压力增加而增大。 4.2.3 热传导微分方程及其定解条件 4.2.3 热传导微分方程及其定解条件 物体内微元体的热量衡算 1.直角坐标系三维物体导热微分方程式 4.2.3 热传导微分方程及其定解条件4.2.3 热传导微分方程及其定解条件(1)导热系数为常数时(2)导热系数为常数且物体内无内热源 (3)常物性，稳态热传导 泊桑（Poisson）方程 4.2.3 热传导微分方程及其定解条件4.2.3 热传导微分方程及其定解条件(4)常物性，无内热源，稳态热传导 2.柱坐标三维物体导热微分方程式 3.球坐标三维物体导热微分方程式 (4-1) 拉普拉斯（Laplace）方程 (4-1a)4.2.3 热传导微分方程及其定解条件4.2.3 热传导微分方程及其定解条件在物体边界上，传热边界条件可分为以下三类 (1)已知物体边界壁面的温度，称为第一类边界条件 (2)已知物体边界壁面的热通量值，称为第二类边界条件 4.2.3 热传导微分方程及其定解条件4.2.3 热传导微分方程及其定解条件(3)已知物体壁面处的对流传热条件，称为第三类边 界条件 物体被加热 t>0, 物体被冷却 t>0, ——式中a和tf都可以是时间的函数，此时物体壁面的温度是待求解的物理量。 4.2.4 稳态热传导 4.2.4 稳态热传导 1.通过平壁的热传导 图P175 热传导微分方程式（4-1）可得 :x=0时 边界条件为 x=b时 对(4-2)连续积分两次，得其通解为 （4-3）积分常数由二个边界条件确定 ,故有——温度分布为线性函数 （4-2）4.2.4 稳态热传导4.2.4 稳态热传导将式（4-3）代入傅立叶定律，得到热通量的表达式 对于导热面积为A的平壁，热传导的速率为 可改写为 称为热阻 Q是热传导过程中所传递的热流量，它与过程的推动力Dt成正比，而与传递过程的阻力R成反比，热阻越大，热流量越小，传热速率越低。 4.2.4 稳态热传导4.2.4 稳态热传导在多层壁的热传导中 图P176 各层分界接触面上的温度可以利用式（4-4）依次计算出。或（4-4）即对n层平壁，有： 4.2.4 稳态热传导4.2.4 稳态热传导使用(4－4)式的几个假设： 1. 平壁A大，b小； 2. 材料均匀，=const； 3. 温度仅沿 x 变化，且不随 时间变化； 4. 各层接触良好，且接触面 两侧温度相同； 5. 热量损失可以忽略。4.2.4 稳态热传导4.2.4 稳态热传导2.通过圆筒壁的热传导 图P177 圆筒壁上的热传导满足圆柱坐标系下的热传导微分方程式（4-1a）,经过简化，得到 边界条件为 r=r1时 r=r2时 对(4-5)连续积分两次，得其通解为 （4-5）4.2.4 稳态热传导4.2.4 稳态热传导式中的积分常数由边界条件确定。可得圆筒壁内的温度分布为 将式（4-6）代入傅立叶定律，即可求得通过圆筒壁的热通量——温度分布为对数函数形式 （4-6）为热阻 （4-7）4.2.4 稳态热传导4.2.4 稳态热传导式（4-7）还可改写为 对于n层圆筒壁 图P1784.2.4 稳态热传导4.2.4 稳态热传导例4-1 为了减少热损失和保证安全工作条件，在外径为159mm的蒸汽管道上包覆保温层。蒸汽管道外壁的温度为300℃。保温材料为水泥珍珠岩制品，水泥珍珠岩制品的导热系数随温度的变化关系为。要求包覆保温层后外壁的温度不超过50℃，并要求将每米长度上的热损失控制在300W/m，则保温层的厚度为多少？ 4.2.4 稳态热传导4.2.4 稳态热传导3.通过球壳壁的热传导 在球壳壁内的温度分布、热流量和热传导热阻的计算式分别为 对于多层球壳壁热传导问题可仿多层圆筒壁的计算方法写出。4.2.5 非稳态热传导 4.2.5 非稳态热传导 由于物体内温度场随时间变化，物体内的热流量也随时间发生变化，因此非稳态热传导问题比稳态问题的计算复杂。 （1）集总参数法的简化分析 （2）半无限大物体的非稳态热传导 （3）有限厚度平板的非稳态热传导 4.2.6 热传导问题的数值解法 4.2.6 热传导问题的数值解法 1.有限差分法的一般步骤与基本概念 ①有限差分方法的应用一般可以分为五个步骤进行，即（1）建立物理问题的控制方程及定解条件；（2）控制区域的离散化；（3）建立离散节点上物理量的代数方程；（4）求解代数方程组；（5）计算结果的分析。4.2.6 热传导问题的数值解法4.2.6 热传导问题的数值解法图P186 如图所示的矩形物体的热传导问题，属于无内热源、常物性的二维稳态热传导，其控制方程可采用拉普拉斯方程描述： 4.2.6 热传导问题的数值解法4.2.6 热传导问题的数值解法在直角坐标系中，用一系列与坐标轴平行的网格线将求解区域划分为许多子区域，以网格线的交点作为确定待求温度值的空间位置，称为节点（或结点）。 处于物体内部的节点称为内节点，而网格线与物体边界线的交点，称为边界节点。相邻两个节点之间的距离称为步长，分别以Dx、Dy表示。在两个坐标方向上的步长可以等值，称为均分网格；也可以取不同的值，称为非均分网格。 每一个节点都可以看作以它为中心的一个小区域的代表，图中阴影部分所包括的区域即是节点（m，n）所代表的区域，它由相邻两节点连线的中垂线构成。我们将这个节点所代表的小区域称为元体（或控制容积）。 ②一些基本概念4.2.6 热传导问题的数值解法4.2.6 热传导问题的数值解法2.内节点离散方程建立 建立内节点离散方程的方法有泰勒级数展开法和热平衡法两种，控制容积热平衡法是对节点所属控制容积进行能量平衡，利用傅立叶定律得到离散方程的方法。 图P1874.2.6 热传导问题的数值解法4.2.6 热传导问题的数值解法3.边界条件的处理与方程的求解 （1）平直边界上的节点 图P188（4－8a） (4－8b) 4.2.6 热传导问题的数值解法4.2.6 热传导问题的数值解法（2）外部角点 （3）内部角点 4.2.6 热传导问题的数值解法4.2.6 热传导问题的数值解法qw的三种形式 ①绝热边界条件 对于式（4-8）～（4-10）中令qw等于零即可 ②给定边界上的qw 将给定常数qw的代入方程式（4-9）～（4-10）中即可 ③对流传热边界 4.2.6 热传导问题的数值解法4.2.6 热传导问题的数值解法平直边界 外部角点 内部角点 4.2.6 热传导问题的数值解法4.2.6 热传导问题的数值解法代数方程组的求解方法 直接解法 迭代法 如矩阵求逆、高斯消去法等，其缺点是计算中需要的内存量较大，当代数方程组庞大时，计算不便。 常用的迭代法有高斯-赛德尔迭代法、牛顿-拉夫森迭代法等。迭代法的一般步骤是：先假定代数方程的初始解，在迭代计算中不断地改进初始解，直到计算前的假定值与计算后的结果相差小于允许值为止，此时称迭代计算收敛。 4.3 对流传热4.3 对流传热4.3.1 对流传热概述 4.3.2 层流流动对流传热的近似分析解法 4.3.3 因次分析法在对流传热中的应用 4.3.4 管内强制对流传热 4.3.5 管外强制对流传热 4.3.6 自然对流传热4.3.1 对流传热概述4.3.1 对流传热概述 同温度的流体各部分之间，或流体与固体壁面之间作整体相对位移时所发生的热量传递过程，称为对流传热。对流传热过程的传热速率可以用牛顿冷却公式计算，即 常见对流传热的分类方法如右图所示：4.3.1 对流传热概述4.3.1 对流传热概述影响对流传热的因素 ①流体的集态变化 ②引起流动的原因 ③流体的流动型态 ④流体的物理性质 ⑤传热面的几何因素 单相流动 有相变的流动 强制对流 自然对流 层流湍流 比热、导热系数、密度和粘度等 传热表面的形状、大小、流体与传热面作相对运动的位置和方向以及传热面的表面状况 4.3.1 对流传热概述4.3.1 对流传热概述表4-1 对流传热系数数值的范围 下表给出了几种对流传热条件下，对流传热系数的大致范围 4.3.1 对流传热概述4.3.1 对流传热概述研究对流传热的主要目的是要揭示对流传热的各种影响因素及其内在联系，以及确定对流传热系数a的具体计算式。目前，获得对流传热系数的表达式的方法有以下四种：①分析法 ②实验法 ③类比法 ④数值法 对流传热问题的偏微分方程及其定解条件进行数学求解，速度场和温度场对流传热系数和传热速率的分析解。 采用实验法获得对流传热系数的计算式应当在相似原理或因次分析法的指导下进行 。 类比法是通过研究动量传递与热量传递的类似性，以建立对流传热系数与流动的阻力系数之间相互关系的方法。 将对流传热的偏微分控制方程用离散方程替代， 用代数方法进行求解对流传热系数和传热速率。 4.3.2 层流流动对流传热的近似分析解法 4.3.2 层流流动对流传热的近似分析解法 流体流过平板时的对流传热也可以分为两个区域：热边界层区和主流区。在主流区，流体的温度变化率接近于零，不发生热量传递，故热量传递主要集中在热边界层内。 图P194图4-16表示出温度边界层与速度边界层的示意图。 4.3.2 层流流动对流传热的近似分析解法4.3.2 层流流动对流传热的近似分析解法应用边界层积分方程求解对流传热问题的基本思想： （1）不要求守恒定律对边界层内的每一个微元体都成立，而只是对包括固体边界及边界层外缘在内的有限大小的控制容积建立能量衡算的表达式，即边界层的积分方程。 （2）对边界层中速度分布和温度分布的函数形式作出假设，在这些函数形式中包含有速度边界层厚度、热边界层厚度和一些待定常数。 （3）利用壁面和边界层外缘处的传热边界条件确定这些待定常数，解出温度边界层厚度的表达式，进而确定边界层内的温度分布。 （4）根据温度分布的表达式计算壁面处的温度梯度，利用傅立叶定律计算热传递速率。一般将计算结果整理成对流传热系数的形式。 4.3.2 层流流动对流传热的近似分析解法4.3.2 层流流动对流传热的近似分析解法 对控制容积A-B-C-D-A进行热量衡算，通过AB，CD,BC和DA面进入控制容积的传热速率分别为在稳态条件下，对控制容积作热量衡算，即 4.3.2 层流流动对流传热的近似分析解法4.3.2 层流流动对流传热的近似分析解法将上述各个分量的表达式代入上式，经整理和化简后，得 ——边界层的积分能量方程 上式适用于层流或湍流，但仅适用于流体粘性和流速均不是很高的场合。 4.3.3 因次分析法在对流传热中的应用 4.3.3 因次分析法在对流传热中的应用 对流传热系数可以表示为 对流传热系数a可以用一个简单的指数函数表示 式中：流体的流速u、传热设备的特征长度L、流体的粘度m、导热系数l、密度r、比热cp和浮升力gbDt等。 无因次准数的函数形式 4.3.3 因次分析法在对流传热中的应用4.3.3 因次分析法在对流传热中的应用1.努塞尔准数（Nusselt）， Nu :2.雷诺准数（Reynold）， Re : 准数的定义与物理意义 对流传热与厚度为L的流体层内的热传导之比。 努塞尔数越大，对流传热的传热强度也越大。它反映了固体壁面处的无因次温度梯度的大小。 惯性力与粘性力之比。 雷诺数小，表示流体的粘性力起控制作用，抑制流层的扰动，随着雷诺数的增大，流体中流体微团的扰动加剧，壁面处的温度梯度增大，对流传热系数增大。4.3.3 因次分析法在对流传热中的应用4.3.3 因次分析法在对流传热中的应用3.普朗特准数（Prandtl）， Pr :4.格拉晓夫准数（Grashof）， Gr :动量扩散与热量扩散之比。 它表征了流体的动量传递能力与热量传递能力的相对强弱。普朗特数越小，流体的传热能力越强；反之，则流体的传热能力越差。 浮升力与粘性力之比 。 它反映了由于流体中温度差引起密度差所导致的浮升力对对流传热的影响。它在自然对流中的作用与强制对流中雷诺数的作用相当。 4.3.3 因次分析法在对流传热中的应用4.3.3 因次分析法在对流传热中的应用对于不同的传热情况，准数方程还可以简化： 对于湍流强制对流传热，自然对流的影响可以忽略，准数关联式变为 对于自然对流传热，可以忽略惯性力的影响而将准则方程写为 对于层流和过渡流区的强制对流传热，浮升力的影响不能忽略，准数关联式仍表示为式 4.3.4 管内强制对流传热 4.3.4 管内强制对流传热 1.流体在圆形直管内作湍流时的对流传热系数 由于流体呈湍流时有利于传热，故工业上一般使对流传热过程在湍流条件下进行。★适用范围： Re>104；0.7104,0.71800)时： 层流(Re<1800)时 ：特征尺寸L：管或板高H； 定性温度：膜温 适用范围：4.4.1 冷凝传热4.4.1 冷凝传热2.水平单管和管束外的冷凝传热 适用范围：式中：n——水平管束在垂直列上的管子数； r——汽化潜热（ts下），kJ/kg。特征尺寸l：水平管外径do定性温度：膜温 4.4.2 影响冷凝传热的因素和冷凝传热的强化 4.4.2 影响冷凝传热的因素和冷凝传热的强化 ① 流体物性：冷凝液 、、  ；潜热r →  ② 温差：液膜层流流动时，t=ts－tW，, ③ 不凝气体：不凝气体的存在会导致（1%不凝气可使 60%），所以应该定期排放 ④ 蒸汽流速与流向(u>10m/s)： 蒸汽与液膜同向时u,；反向时u,；u时 (无论方向)。因此蒸汽进口一般设在换热器上部，以避免蒸 汽与液膜逆向流动使。⑤ 蒸汽过热：包括冷却和冷凝两个过程。 ⑥ 冷凝面的形状和位置：以减少冷凝液膜的厚度并作为 目的。垂直板或管：可开纵向沟槽；水平管束：可采用错列4.4.3 沸腾传热过程 4.4.3 沸腾传热过程 液体与高温壁面接触被加热汽化并产生气泡的过程称为沸腾传热。 大容积沸腾：加热面沉浸在无宏观流速的液体表 面下所产生的沸腾 强制对流沸腾 ：液体以一定流速在加热管管内（或其他形状截面通道内）流动时的沸腾 沸腾分类1.大容器沸腾传热机理 液体内部不断地产生汽泡是沸腾过程最主要的特征。汽化核心生成汽泡长大脱离壁面新汽泡形成搅动液层4.4.3 沸腾传热过程4.4.3 沸腾传热过程沸腾曲线①自然对流阶段(Ⅰ区) ② 核状沸腾阶段(Ⅱ区) ③ 不稳定膜状沸腾(Ⅲ区左) ④ 稳定膜状沸腾(Ⅲ区右) 将由核状沸腾→膜状沸腾的转变点称为临界点或烧毁点。4.4.3 沸腾传热过程4.4.3 沸腾传热过程2.大容器沸腾的传热关系式 ①大容器饱和核态沸腾 罗森诺提出以下实验关联式用于计算沸腾热流通量q或壁面上沸腾温差Dt： 4.4.3 沸腾传热过程4.4.3 沸腾传热过程②大容器沸腾的临界热通量 沸腾传热临界热通量的经验方程可以表示为 4.4.4 影响沸腾传热的因素及强化途径 4.4.4 影响沸腾传热的因素及强化途径 强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）③ 操作压强：① 液体的性质： ② 温差：在核状沸腾阶段温差提高，④ 加热面： 新的、洁净的、粗糙的加热面，大； 强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒。对于水在105~4×106Pa下，有：4.5 辐射传热 4.5 辐射传热 4.5.1 热辐射的基本概念 4.5.2 辐射基本定律 4.5.3 固体间的辐射传热 4.5.4 气体的热辐射 4.5.5对流与辐射的复合传热4.5.1 热辐射的基本概念4.5.1 热辐射的基本概念1. 辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。2. 热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程。 1. 辐射与热辐射 电磁波的波长范围极广，但是在工业中所遇到的温度范围内，能够被物体吸收而转变为热能的辐射主要是红外线（0.76～100m）和可见光(0.38～0.76 m)两部分 。红外线和可见光统称为热射线 。特点： 能量传递的同时还伴随着能量形式的转换； 不需要任何介质，可在真空中传播。4.5.1 热辐射的基本概念4.5.1 热辐射的基本概念如图4-35所示，热辐射的能量投射到物体表面时，在入射的总辐射能量Q中，有Qa的能量被吸收，Qr的能量被反射，其余Qt的能量穿透了物体。根据能量守恒定律，得令则2.热辐射对物体的作用4.5.1 热辐射的基本概念4.5.1 热辐射的基本概念3.辐射体的分类①若a=1，则表示投射到物体表面上的辐射能可以全部被物体所吸收。这种物体称为绝对黑体，或简称黑体。均匀温度封闭空腔上小孔的辐射特性接近于黑体。 ②若r=1，则表示投射到物体表面上的辐射能可以全部被物体所反射出去。这种物体称为绝对白体或镜体。 ③若t=1，则表示投射到物体表面上的辐射能可以全部穿透物体。这种物体称为绝对透明体，或透热体。 4.5.2 辐射基本定律 4.5.2 辐射基本定律 1.辐射能力与斯蒂芬—波尔茨曼定律 ① 辐射能力E：指物体在一定温度下，单位表面积在单位时间内所发射的全部辐射能（波长从0到），以E表示，W/m2。 ② 物体的黑度：指同温度下物体与黑体辐射能力之比。 因同一温度下，实际物体的辐射能力恒小于同温度下黑体的 辐射能力，故ε(<1)是物体辐射能力接近黑体辐射能力的程度。 ε与物体种类、表面温度、表面状况、波长有关，是物体的 一种性质，只与物体本身状况有关，与外界因素无关。 ③ 黑度的影响因素：4.5.2 辐射基本定律4.5.2 辐射基本定律④斯蒂芬—波尔茨曼定律 式中 0──黑体辐射常数，=5.67× 10-8W/(m2 .K4)； C0──黑体辐射系数，=5.67W/(m2 .K4) 由于多数工程材料在波长范围内的吸收率随波长变化不大，可把这些物体视为灰体。其辐射能力为：式中C——灰体的辐射系数， C=5.669W/(m2.K4)4.5.2 辐射基本定律4.5.2 辐射基本定律2.克希霍夫定律 T1=T2 对任意物体：则两个壁面温度相等时 ：——克希霍夫定律克希霍夫定律表明，物体的吸收率越大，其发射能力也越强，也就是说善于吸收的物体必然善于发射。因而，在所有物体中，黑体的辐射能力最强。 4.5.3 固体间的辐射传热 4.5.3 固体间的辐射传热 1.角系数 角系数表示物体i的表面辐射总能量落到另一物体j上的份额，即——它与物体的形状、大小、相互位置以及两物体之间的距离等几何因素有关，因而又称为几何因子。 4.5.3 固体间的辐射传热4.5.3 固体间的辐射传热理论上可以证明，对于任意两物体壁面之间的辐射，如图4-38所示，其角系数可以表示为 4.5.3 固体间的辐射传热4.5.3 固体间的辐射传热2.角系数的性质 角系数的相对性 角系数的完整性 角系数的可加性 4.5.3 固体间的辐射传热4.5.3 固体间的辐射传热3.灰体间的辐射传热 任意两个壁面A1和A2作相互辐射传热时，壁面A1与壁面A2的净辐射传热量Q12可以表示为——式中J1、J2分别表示壁面A1与壁面A2的有效辐射 由角系数的相对性，可得： 定义 为壁面辐射的空间热阻。空间热阻仅与角系数和壁面的表面积有关。4.5.3 固体间的辐射传热4.5.3 固体间的辐射传热 对于辐射传热计算，可以采用与电路中电流计算相类似的方法来计算辐射传热量。这种将辐射热阻类比为等效电阻从而通过等效网络图来求解辐射传热的方法，称为辐射传热的网络法。 辐射传热的网络法如两个灰体表面间的辐射传热 4.5.4 气体的热辐射 4.5.4 气体的热辐射 与固体间辐射传热相比，气体的热辐射具有以下两个主要特点： 1．气体的辐射和吸收对波长具有强烈的选择性 气体只能辐射或吸收某些波长范围内的辐射能，通常把这种有辐射或吸收能力的波长范围称为光带。 如： 由于气体辐射对波长具有选择性的特点，气体不是灰体！ 4.5.4 气体的热辐射4.5.4 气体的热辐射2．气体的辐射和吸收是在整个容积内进行 固体或液体的辐射都是在物体的表面上进行，而气体的辐射和吸收是在整个容积内进行。气体的辐射和吸收与气体层的形状和容积大小有关。 虽然气体的辐射能力不遵从四次方定律，但在工程上，为了计算方便，气体的辐射能力仍写成四次方定律的形式 平均射线行程的概念 ——将计算误差归结到气体的黑度中进行修正 4.5.5对流与辐射的复合传热 4.5.5对流与辐射的复合传热 由对流传热而散失的热量为 由辐射而散失的热量为 为了计算方便，常将辐射传热的传热速率也表达为牛顿冷却方程的形式，即 ——ar称为辐射传热系数 4.5.5对流与辐射的复合传热4.5.5对流与辐射的复合传热总热损失Q为 对于有保温层的设备、管道等，外壁对周围环境气体的复合传热系数aT，可以用以下近似计算式进行估算。 （2）空气沿粗糙壁面的强制对流 即：